Untuk mengukur radiasi, rentang besaran yang cukup luas digunakan, yang secara kondisional dapat dibagi menjadi dua sistem satuan: energi dan cahaya. Dalam hal ini, besaran energi mencirikan radiasi yang berhubungan dengan seluruh wilayah optik spektrum, dan besaran pencahayaan mencirikan radiasi tampak. Jumlah energi sebanding dengan jumlah pencahayaan yang sesuai.
Kuantitas utama dalam sistem energi, yang memungkinkan untuk menilai jumlah radiasi, adalah fluks radiasi Ph, atau kekuatan radiasi, yaitu jumlah energi W, dipancarkan, dibawa atau diserap per satuan waktu:
Nilai Fe dinyatakan dalam watt (W). - satuan energi
Dalam kebanyakan kasus, mereka tidak memperhitungkan sifat kuantum dari penampilan radiasi dan menganggapnya kontinu.
Karakteristik kualitatif radiasi adalah distribusi fluks radiasi pada spektrum.
Untuk radiasi yang memiliki spektrum kontinu, konsep ini diperkenalkan kerapatan spektral fluks radiasi ( ) - rasio daya radiasi yang disebabkan oleh bagian sempit tertentu dari spektrum dengan lebar bagian ini (Gbr. 2.2). Untuk rentang spektral yang sempit d fluks radiasi adalah d . Oordinat menunjukkan kerapatan spektral dari fluks radiasi = d /d , oleh karena itu, aliran diwakili oleh luas bagian dasar grafik, mis.
Gambar 2.2 - Ketergantungan kerapatan fluks spektral radiasi dari panjang gelombang
E 
Jika spektrum emisi berada dalam batas
1
sebelum
2
, maka besarnya fluks radiasi
Dibawah fluks bercahaya F, di kasus umum, memahami kekuatan radiasi, diperkirakan berdasarkan efeknya pada mata manusia. Satuan fluks cahaya adalah lumen (lm). – unit pencahayaan
Tindakan fluks cahaya pada mata menyebabkan reaksi tertentu. Tergantung pada tingkat aksi fluks cahaya, satu atau jenis lain dari penerima mata peka cahaya, yang disebut batang atau kerucut, bekerja. Pada kondisi kurang cahaya (misalnya dalam cahaya bulan), mata melihat benda-benda di sekitarnya karena adanya batang. Pada level tinggi penerangan, peralatan penglihatan siang hari mulai bekerja, yang menjadi tanggung jawab kerucut.
Selain itu, kerucut dibagi menjadi tiga kelompok sesuai dengan zat peka cahayanya dengan sensitivitas berbeda di berbagai wilayah spektrum. Oleh karena itu, tidak seperti batang, mereka bereaksi tidak hanya terhadap fluks cahaya, tetapi juga pada komposisi spektralnya.
Dalam hal ini, dapat dikatakan bahwa aksi ringan dua dimensi.
Sifat kuantitatif reaksi mata yang berhubungan dengan tingkat penerangan disebut keringanan. Karakteristik kualitas yang terkait dengan level yang berbeda Reaksi tiga kelompok kerucut disebut kromatisitas.
Kekuatan cahaya (Saya). Dalam teknologi pencahayaan, nilai ini diambil sebagai dasar. Pilihan ini tidak memiliki dasar yang mendasar, tetapi dibuat untuk alasan kenyamanan, karena Intensitas cahaya tidak bergantung pada jarak.
Konsep intensitas cahaya hanya mengacu pada sumber titik, yaitu ke sumber yang dimensinya kecil dibandingkan dengan jarak dari mereka ke permukaan yang diterangi.
Intensitas cahaya dari sumber titik dalam arah tertentu adalah per satuan sudut padat aliran cahaya F dipancarkan oleh sumber ini dalam arah tertentu:
saya =F /
Energi intensitas cahaya dinyatakan dalam watt per steradian ( Selasa/Rabu).
Per Petir satuan intensitas cahaya diterima candela(cd) adalah intensitas cahaya dari sumber titik yang memancarkan fluks cahaya 1 lm, didistribusikan secara merata dalam sudut padat 1 steradian (sr).
Sudut padat adalah bagian dari ruang yang dibatasi oleh permukaan kerucut dan tertutup kontur lengkung, tidak melewati titik sudut (Gbr. 2.3). Saat dikompresi permukaan kerucut dimensi area bola o menjadi sangat kecil. Sudut padat dalam hal ini juga menjadi sangat kecil:
Gambar 2.3 - Untuk definisi konsep "sudut padat"
Penerangan (E). Di bawah iluminasi energik E uh memahami aliran radiasi pada satuan luas permukaan yang diterangi Q:
Penerangan energi dinyatakan dalam W/m 2 .
Penerangan cahaya E dinyatakan oleh kerapatan fluks cahaya F di permukaannya menyala (Gbr. 2.4):
Untuk satuan penerangan cahaya diambil kemewahan, yaitu iluminasi permukaan yang menerima fluks bercahaya 1 lm yang didistribusikan secara merata di atasnya di atas area 1 m 2.
Di antara kuantitas lain yang digunakan dalam teknik pencahayaan, yang penting adalah: energi radiasi Wuh atau energi cahaya W, serta energi tidak atau cahaya H paparan.
Nilai Kami dan W ditentukan oleh ekspresi
di mana 
adalah, masing-masing, fungsi mengubah fluks radiasi dan fluks bercahaya dalam waktu. Kami diukur dalam joule atau Ws, a W
–
dalam lm s.
Dibawah energi H uh atau paparan cahaya memahami kepadatan energi permukaan radiasi W uh atau energi cahaya W masing-masing pada permukaan yang diterangi.
Itu adalah lampudan sayapaparan H adalah produk dari iluminasi E, dibuat oleh sumber radiasi, untuk sementara waktu t aksi radiasi ini.
Soal 2. Besaran fotometrik dan satuannya.
Fotometri adalah cabang optik yang berhubungan dengan pengukuran karakteristik energi radiasi optik dalam proses propagasi dan interaksi dengan materi. Fotometri menggunakan jumlah energi yang mencirikan parameter energi radiasi optik, terlepas dari efeknya pada detektor radiasi, dan juga menggunakan jumlah ringan, yang mencirikan efek fisiologis cahaya dan dievaluasi oleh efek pada mata manusia atau penerima lainnya.
Besaran energi.
Aliran energiF e adalah nilainya, secara numerik sama dengan energi W radiasi yang melewati suatu penampang tegak lurus terhadap arah perpindahan energi, per satuan waktu
F e = W/ t, watt (sel).
Aliran energi setara dengan kekuatan energi.
Energi yang dipancarkan oleh sumber nyata ke ruang sekitarnya didistribusikan di atas permukaannya.
luminositas energi(cahaya) R e adalah daya radiasi per satuan luas permukaan ke segala arah:
R e = F e / S, (sel/m 2),
itu. adalah kerapatan fluks radiasi permukaan.
Kekuatan energi cahaya (kekuatan radiasi) Saya e didefinisikan menggunakan konsep titik sumber cahaya - sumber yang dimensinya dibandingkan dengan jarak ke titik pengamatan dapat diabaikan. Kekuatan energi cahaya Saya nilai e, sama dengan rasio fluks radiasi F e sumber sudut padat ω , di mana radiasi ini merambat:
Saya e= F e / ω , (sel/Menikahi) - watt per steradian.
Sudut padat adalah bagian dari ruang yang dibatasi oleh beberapa permukaan kerucut. Kasus tertentu dari sudut padat adalah trihedral dan sudut polihedral. Sudut padat ω diukur dengan rasio area S bagian bola yang berpusat di puncak permukaan kerucut, yang dipotong oleh sudut padat ini, ke kuadrat jari-jari bola, yaitu. = S/r 2 . bola penuh membentuk sudut padat sama dengan 4π steradian, yaitu = 4π r 2 /r 2 = 4π Menikahi.
Intensitas cahaya dari sumber sering tergantung pada arah radiasi. Jika tidak bergantung pada arah radiasi, maka sumber seperti itu disebut isotropik. Untuk sumber isotropik, intensitas cahaya adalah
Saya e= F e/4π.
Dalam kasus sumber yang diperluas, kita dapat berbicara tentang intensitas cahaya elemen permukaannya dS.
Kecerahan Energi (cahaya) PADA e adalah nilai yang sama dengan rasio intensitas energi cahaya Saya e elemen dari permukaan yang memancar ke area S proyeksi elemen ini ke bidang yang tegak lurus terhadap arah pengamatan:
PADA e = Saya e / S. [(sel/(sr.m 2)].
Penerangan energi (radiasi) E e mencirikan tingkat iluminasi permukaan dan sama dengan besarnya fluks radiasi dari semua arah yang datang pada unit permukaan yang diterangi ( sel/m 2).
Dalam fotometri, hukum kuadrat terbalik (hukum Kepler) digunakan: penerangan bidang dari arah tegak lurus dari sumber titik dengan gaya Saya e di kejauhan r dari itu sama dengan:
E e = Saya e/ r 2 .
Penyimpangan berkas radiasi optik dari tegak lurus ke permukaan dengan sudut α menyebabkan penurunan iluminasi (hukum Lambert):
E e = Saya e cos α /r 2 .
Peran penting ketika mengukur karakteristik energi radiasi, distribusi temporal dan spektral dari kekuatannya bermain. Jika durasi radiasi optik kurang dari waktu pengamatan, maka radiasi dianggap berdenyut, dan jika lebih lama, dianggap kontinu. Sumber dapat memancarkan radiasi berbagai panjang ombak. Oleh karena itu, dalam praktiknya, konsep spektrum radiasi digunakan - distribusi daya radiasi pada skala panjang gelombang λ (atau frekuensi). Hampir semua sumber memancar secara berbeda di berbagai bagian spektrum.
Untuk interval panjang gelombang yang sangat kecil d nilai kuantitas fotometrik dapat ditentukan menggunakan kerapatan spektralnya. Misalnya, kerapatan spektral luminositas energi
R eλ = dW/dλ,
di mana dW adalah energi yang diradiasikan dari satu satuan luas permukaan per satuan waktu dalam rentang panjang gelombang dari λ sebelum λ + d.
jumlah ringan. Dalam pengukuran optik, berbagai penerima radiasi digunakan, karakteristik spektral sensitivitasnya terhadap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda berbeda. Sensitivitas spektral fotodetektor radiasi optik adalah rasio nilai yang mencirikan tingkat respons penerima terhadap fluks atau energi radiasi monokromatik yang menyebabkan reaksi ini. Bedakan antara sensitivitas spektral absolut, dinyatakan dalam unit bernama (misalnya, TETAPI/sel jika respon penerima diukur dalam TETAPI), dan sensitivitas spektral relatif tak berdimensi adalah rasio sensitivitas spektral pada panjang gelombang radiasi tertentu terhadap nilai maksimum sensitivitas spektral atau sensitivitas spektral pada panjang gelombang tertentu.
Sensitivitas spektral fotodetektor hanya bergantung pada sifat-sifatnya; itu berbeda untuk penerima yang berbeda. Sensitivitas spektral relatif mata manusia V(λ ) ditunjukkan pada Gambar. 5.3.
Mata paling sensitif terhadap radiasi dengan panjang gelombang λ =555 nm. Fungsi V(λ ) untuk panjang gelombang ini diambil sama dengan satu.
Dengan fluks energi yang sama, intensitas cahaya yang diperkirakan secara visual untuk panjang gelombang lain lebih kecil. Sensitivitas spektral relatif mata manusia untuk panjang gelombang ini ternyata adalah kurang dari satu. Misalnya, nilai fungsi berarti bahwa cahaya dengan panjang gelombang tertentu harus memiliki kerapatan fluks energi 2 kali lebih besar daripada cahaya yang , sehingga sensasi visualnya sama.
Sistem kuantitas cahaya diperkenalkan dengan mempertimbangkan sensitivitas spektral relatif mata manusia. Oleh karena itu, pengukuran cahaya, menjadi subjektif, berbeda dari objektif, energi, dan untuk mereka unit cahaya digunakan hanya untuk cahaya tampak. Satuan dasar cahaya dalam sistem SI adalah intensitas cahaya - candela (CD), yang sama dengan intensitas cahaya dalam arah yang diberikan sumber memancarkan radiasi monokromatik dengan frekuensi 5,4 10 14 Hz, kekuatan energi yang cahayanya dalam arah ini adalah 1/683 W/sr. Semua besaran ringan lainnya dinyatakan dalam candela.
Definisi satuan cahaya mirip dengan satuan energi. Untuk mengukur jumlah cahaya, teknik dan perangkat khusus digunakan - fotometer.
Aliran cahaya . Satuan fluks cahaya adalah lumen (aku). Itu sama dengan fluks bercahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya isotropik dengan kekuatan 1 CD dalam sudut padat satu steradian (dengan medan radiasi seragam di dalam sudut padat):
1 aku = 1 CD·satu Menikahi.
Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa fluks bercahaya 1 lm, yang dibentuk oleh radiasi dengan panjang gelombang λ = 555nm sesuai dengan fluks energi 0,00146 sel. Fluks bercahaya dalam 1 aku, dibentuk oleh radiasi dengan panjang gelombang yang berbeda λ , sesuai dengan aliran energi
F e = 0,00146/ V(λ ), sel,
itu. satu aku = 0,00146 sel.
penerangan E- nilai luka dengan rasio fluks bercahaya F insiden di permukaan, ke area S permukaan ini:
E = F/S, kemewahan (Oke).
1 Oke– penerangan permukaan, per 1 m 2 di mana fluks bercahaya jatuh dalam 1 aku (1Oke = 1 aku/m 2). Untuk pengukuran iluminasi, perangkat digunakan yang mengukur fluks radiasi optik dari segala arah - luxmeters.
Kecerahan R C (luminositas) dari permukaan bercahaya di beberapa arah adalah besaran yang sama dengan rasio intensitas cahaya Saya ke arah ini ke alun-alun S proyeksi permukaan bercahaya ke bidang yang tegak lurus terhadap arah ini:
R C = Saya/(S karena φ ), (CD/m 2).
Secara umum, kecerahan sumber cahaya berbeda untuk arah yang berbeda. Sumber yang kecerahannya sama ke segala arah disebut Lambertian atau kosinus, karena fluks cahaya yang dipancarkan oleh elemen permukaan sumber tersebut sebanding dengan cosφ. Benar-benar memenuhi kondisi ini hanya tubuh yang benar-benar hitam.
Setiap fotometer dengan sudut pandang terbatas pada dasarnya adalah pengukur pencahayaan. Spektral dan distribusi spasial kecerahan dan iluminasi memungkinkan Anda menghitung yang lainnya besaran fotometrik dengan mengintegrasikan.
1. Apa itu? arti fisik indikator mutlak
pembiasan medium?
2. Apa itu? indikator relatif pembiasan?
3. Dalam kondisi apa yang diamati? refleksi total?
4. Apa prinsip pengoperasian pemandu cahaya?
5. Apa prinsip Fermat?
6. Apa perbedaan antara jumlah energi dan cahaya dalam fotometri?
Definisi besaran fotometrik deret cahaya dan hubungan matematis di antara keduanya serupa dengan besaran dan hubungan deret energi yang sesuai. Itu sebabnya aliran cahaya, merambat dalam sudut padat sama dengan . Unit fluks bercahaya ( lumen). Untuk cahaya monokromatik hubungan antara energi dan jumlah cahaya diberikan oleh rumus:
dimana konstanta disebut setara mekanik cahaya.
Fluks cahaya yang jatuh pada interval panjang gelombang dari aku sebelum ,
, (30.8)
di mana j adalah fungsi distribusi energi pada panjang gelombang (lihat Gambar 30.1). Maka fluks cahaya total yang dibawa oleh semua gelombang spektrum,
penerangan
Fluks bercahaya juga bisa berasal dari benda yang tidak bersinar dengan sendirinya, tetapi memantulkan atau menyebarkan cahaya yang jatuh padanya. Dalam kasus seperti itu, penting untuk mengetahui fluks cahaya apa yang jatuh pada area tertentu dari permukaan tubuh. Untuk ini berfungsi kuantitas fisik, disebut iluminasi
. (30.10)
penerangan secara numerik sama dengan rasio total insiden fluks bercahaya pada elemen permukaan dengan luas elemen ini (lihat Gambar 30.4). Untuk keluaran cahaya yang merata
Unit iluminasi 
(luks). Rangkaian sama dengan iluminasi permukaan dengan luas 1 m 2 ketika fluks bercahaya 1 lm jatuh di atasnya. Penerangan energi didefinisikan dengan cara yang sama
Unit penerangan energi.
Kecerahan
Untuk banyak perhitungan pencahayaan, beberapa sumber dapat dianggap sebagai sumber titik. Namun, dalam banyak kasus, sumber cahaya ditempatkan cukup dekat untuk membedakan bentuknya, dengan kata lain, dimensi sudut sumber terletak pada kemampuan mata atau alat optik untuk membedakan objek yang diperluas dari suatu titik. Untuk sumber seperti itu, kuantitas fisik yang disebut kecerahan diperkenalkan. Konsep kecerahan tidak berlaku untuk sumber yang dimensi sudutnya kurang dari resolusi mata atau instrumen optik (misalnya, untuk bintang). Kecerahan mencirikan radiasi permukaan bercahaya dalam arah tertentu. Sumbernya bisa bersinar dengan cahayanya sendiri atau pantulannya.
Mari kita pilih fluks bercahaya yang merambat ke arah tertentu dalam sudut padat dari bagian permukaan bercahaya. Sumbu balok membentuk sudut dengan normal ke permukaan (lihat Gambar 30.5).
Proyeksi bagian permukaan bercahaya ke situs tegak lurus terhadap arah yang dipilih,
(30.14)
ditelepon permukaan yang terlihat elemen situs sumber (lihat Gambar 30.6).
Nilai fluks bercahaya tergantung pada luas permukaan yang terlihat, pada sudut dan pada sudut padat:
Faktor proporsionalitas disebut kecerahan, Itu tergantung pada sifat optik memancarkan permukaan dan mungkin berbeda untuk berbagai arah. Dari (30,5) kecerahan
Lewat sini, kecerahan ditentukan oleh fluks bercahaya yang dipancarkan dalam arah tertentu oleh satuan permukaan tampak per satuan sudut padat. Atau dengan kata lain: kecerahan dalam arah tertentu secara numerik sama dengan intensitas cahaya yang diciptakan oleh satuan luas permukaan sumber yang terlihat.
Secara umum, kecerahan tergantung pada arahnya, tetapi ada sumber cahaya yang kecerahannya tidak bergantung pada arahnya. Sumber seperti itu disebut Lambertian atau kosinus, karena hukum Lambert berlaku untuk mereka: intensitas cahaya dalam arah tertentu sebanding dengan kosinus sudut antara normal ke permukaan sumber dan arah ini:
di mana adalah intensitas cahaya dalam arah normal ke permukaan, adalah sudut antara normal ke permukaan dan arah yang dipilih. Untuk memastikan kecerahan yang sama ke segala arah, lampu teknis dilengkapi dengan cangkang kaca susu. Sumber Lambertian yang memancarkan cahaya menyebar termasuk permukaan yang dilapisi dengan magnesium oksida, porselen tanpa glasir, kertas gambar, dan salju yang baru turun.
Satuan kecerahan 
(ni). Berikut adalah nilai kecerahan dari beberapa sumber cahaya:
Bulan - 2,5 knt,
lampu neon - 7 knt,
filamen bola lampu - 5 Mnt,
permukaan matahari adalah 1,5 Gnt.
Kecerahan terendah yang dirasakan oleh mata manusia adalah sekitar 1 mikron, dan kecerahan yang melebihi 100 knt menyebabkan rasa sakit pada mata dan dapat merusak penglihatan. Kecerahan selembar kertas putih saat membaca dan menulis harus setidaknya 10 nits.
Kecerahan energi didefinisikan dengan cara yang sama
. (30.18)
Satuan pengukuran pancaran 
.
Kilau
Mari kita pertimbangkan sumber cahaya dengan dimensi terbatas (bersinar dengan cahayanya sendiri atau cahaya yang dipantulkan). kilau sumber disebut kepadatan permukaan fluks bercahaya yang dipancarkan oleh permukaan ke segala arah dalam sudut padat. Jika elemen permukaan memancarkan fluks bercahaya, maka
Untuk luminositas seragam, kita dapat menulis:
Satuan luminositas.
Luminositas energi didefinisikan dengan cara yang sama
Satuan luminositas energi.
Hukum iluminasi
Pengukuran fotometrik didasarkan pada dua hukum iluminasi.
1. Penerangan permukaan oleh sumber cahaya titik bervariasi dalam proporsi terbalik dengan kuadrat jarak sumber dari permukaan yang diterangi. Pertimbangkan sumber titik (lihat Gambar 30.7) yang memancarkan cahaya ke segala arah. Mari kita gambarkan di sekitar sumber bola konsentris dengan sumber dengan jari-jari dan . Jelas, fluks bercahaya melalui luas permukaan dan adalah sama, karena merambat dalam satu sudut padat. Maka iluminasi daerah dan akan, masing-masing, dan . Mengekspresikan elemen permukaan bola melalui sudut padat , kita mendapatkan:
. (30.22)
2. Penerangan yang dibuat pada bagian dasar permukaan oleh insiden fluks cahaya di atasnya pada sudut tertentu sebanding dengan kosinus sudut antara arah sinar dan normal ke permukaan. Mari kita perhatikan berkas sinar sejajar (lihat Gambar 29.8) yang jatuh pada bidang permukaan dan . Sinar datang pada permukaan sepanjang garis normal, dan pada permukaan membentuk sudut terhadap normal. Fluks cahaya yang sama melewati kedua bagian. Penerangan dari bagian pertama dan kedua akan, masing-masing, dan 
. Tapi, oleh karena itu,
Menggabungkan kedua hukum ini, kita dapat merumuskan hukum dasar iluminasi: iluminasi permukaan oleh sumber titik berbanding lurus dengan intensitas cahaya sumber, kosinus sudut datang sinar, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari sumber ke permukaan
. (30.24)
Perhitungan menggunakan rumus ini memberikan hasil yang cukup akurat jika dimensi linier sumber tidak melebihi 1/10 jarak ke permukaan yang diterangi. Jika sumbernya adalah piringan dengan diameter 50 cm, maka pada titik normal ke pusat piringan Kesalahan relatif dalam perhitungan untuk jarak 50 cm mencapai 25%, untuk jarak 2 m tidak melebihi 1,5%, dan untuk jarak 5 m berkurang menjadi 0,25%.
Jika ada beberapa sumber, maka iluminasi yang dihasilkan sama dengan jumlah iluminasi yang dihasilkan oleh masing-masing sumber. Jika sumber tidak dapat dianggap sebagai sumber titik, permukaannya dibagi menjadi bagian-bagian dasar dan, setelah menentukan iluminasi yang diciptakan oleh masing-masing dari mereka, menurut hukum 
, lalu integrasikan ke seluruh permukaan sumber.
Ada standar pencahayaan untuk tempat kerja dan bangunan. Di atas meja ruang kelas penerangan harus setidaknya 150 lux, untuk membaca buku Anda membutuhkan penerangan, dan untuk menggambar - 200 lux. Untuk koridor, penerangan dianggap cukup, untuk jalan -.
Sumber cahaya terpenting bagi semua kehidupan di Bumi - Matahari menciptakan batas atas penerangan energi atmosfer, yang disebut konstanta matahari - dan penerangan 137 klx. Penerangan energi yang diciptakan di permukaan bumi oleh sinar langsung di musim panas adalah dua kali lebih sedikit. Penerangan yang dihasilkan oleh sinar matahari langsung pada siang hari di garis lintang tengah kawasan adalah 100 klx. Perubahan musim di bumi dijelaskan oleh perubahan sudut datang sinar matahari ke permukaannya. Di belahan bumi utara, sudut datang sinar terbesar di permukaan bumi adalah di musim dingin, dan yang terkecil - di musim panas. Iluminasi aktif ruang terbuka dengan langit mendung adalah 1000 lux. Penerangan di ruangan terang di dekat jendela - 100 lux. Sebagai perbandingan, kami menyajikan iluminasi dari bulan purnama- 0,2 lux dan dari langit malam di malam tanpa bulan - 0,3 mlk. Jarak dari Matahari ke Bumi adalah 150 juta kilometer, tetapi karena fakta bahwa gaya sinar matahari sama, iluminasi yang diciptakan Matahari di permukaan Bumi begitu besar.
Untuk sumber yang intensitas cahayanya bergantung pada arah, terkadang digunakan intensitas cahaya bulat rata-rata, di mana adalah fluks cahaya total lampu. Rasio lumen lampu listrik menjadi daya listriknya disebut keluaran cahaya lampu: . Misalnya, lampu pijar 100 W memiliki intensitas cahaya rata-rata berbentuk bola sekitar 100 cd. Fluks cahaya total dari lampu semacam itu adalah 4 × 3,14 × 100 cd = 1260 lm, dan efisiensi cahayanya adalah 12,6 lm / W. Efisiensi cahaya lampu neon beberapa kali lebih besar daripada lampu pijar, dan mencapai 80 lm / W. Selain itu, masa pakai lampu neon melebihi 10 ribu jam, sedangkan untuk lampu pijar kurang dari 1000 jam.
Selama jutaan tahun evolusi, mata manusia telah beradaptasi dengan sinar matahari, dan oleh karena itu komposisi spektral cahaya lampu diharapkan sedekat mungkin dengan komposisi spektral sinar matahari. Persyaratan ini dalam paling menanggapi lampu neon. Itu sebabnya mereka juga disebut lampu neon. Kecerahan filamen bola lampu menyebabkan rasa sakit di mata. Untuk mencegah hal ini, warna kaca susu dan kap lampu digunakan.
Dengan segala kelebihannya, lampu fluoresen juga memiliki sejumlah kelemahan: kompleksitas sirkuit switching, denyut fluks cahaya (dengan frekuensi 100 Hz), ketidakmungkinan memulai dalam cuaca dingin (karena kondensasi merkuri), dengungan throttle (karena magnetostriction), bahaya lingkungan (merkuri dari lampu yang rusak meracuni lingkungan).
Agar komposisi spektral radiasi lampu pijar sama dengan Matahari, filamennya perlu dipanaskan hingga suhu permukaan Matahari, yaitu hingga 6200 K. Tetapi tungsten , logam yang paling tahan api, sudah meleleh pada 3660 K.
Suhu yang mendekati suhu permukaan matahari dicapai dalam pelepasan busur dalam uap merkuri atau xenon pada tekanan sekitar 15 atm. Intensitas cahaya lampu busur dapat dinaikkan hingga 10 Mcd. Lampu semacam itu digunakan dalam proyektor film dan lampu sorot. Lampu yang diisi dengan uap natrium dibedakan oleh fakta bahwa di dalamnya sebagian besar radiasi (sekitar sepertiga) terkonsentrasi di wilayah spektrum yang terlihat (dua garis kuning intens pada 589,0 nm dan 589,6 nm). Meskipun emisi lampu natrium sangat berbeda dari sinar matahari biasa untuk mata manusia, mereka digunakan untuk menerangi jalan raya, karena keuntungannya adalah efisiensi cahaya yang tinggi, hingga 140 lm / W.
Fotometer
Instrumen yang dirancang untuk mengukur intensitas cahaya atau fluks cahaya sumber yang berbeda, disebut fotometer. Menurut prinsip pendaftaran, fotometer terdiri dari dua jenis: subjektif (visual) dan objektif.
Prinsip pengoperasian fotometer subjektif didasarkan pada kemampuan mata untuk menetapkan iluminasi yang sama (lebih tepatnya, kecerahan) dari dua bidang yang berdekatan dengan akurasi yang cukup tinggi, asalkan keduanya disinari dengan cahaya dengan warna yang sama.
Fotometer untuk membandingkan dua sumber dirancang sedemikian rupa sehingga peran mata dikurangi untuk menetapkan iluminasi yang sama dari dua bidang yang berdekatan yang diterangi oleh sumber yang dibandingkan (lihat Gambar 30.9). Mata pengamat mengamati prisma trihedral putih yang dipasang di tengah tabung hitam di dalamnya. Prisma diterangi oleh dan sumber. Dengan mengubah jarak dan dari sumber ke prisma, dimungkinkan untuk menyamakan iluminasi permukaan dan . Kemudian , Dimana dan adalah intensitas cahaya, masing-masing, dari sumber dan . Jika intensitas cahaya salah satu sumber diketahui (sumber referensi), maka intensitas cahaya sumber lain dalam arah yang dipilih dapat ditentukan. Dengan mengukur intensitas cahaya dari sumber di arah yang berbeda, temukan fluks cahaya total, iluminasi, dll. Sumber referensinya adalah lampu pijar, yang intensitas cahayanya diketahui.
Ketidakmungkinan mengubah rasio jarak dalam rentang yang sangat luas memaksa penggunaan metode lain untuk melemahkan aliran, seperti penyerapan cahaya oleh filter dengan ketebalan variabel - irisan (lihat Gambar 30.10).
Salah satu varietas metode visual fotometri adalah metode blanking berdasarkan penggunaan ambang batas sensitivitas mata yang konstan untuk setiap individu pengamat. Sensitivitas ambang mata adalah kecerahan terendah (sekitar 1 mikron) di mana mata manusia bereaksi. Setelah sebelumnya menentukan ambang sensitivitas mata, dalam beberapa cara (misalnya, dengan baji penyerap yang dikalibrasi), kecerahan sumber yang diteliti dikurangi menjadi ambang sensitivitas. Mengetahui berapa kali kecerahan dilemahkan, dimungkinkan untuk menentukan kecerahan mutlak sumber tanpa sumber referensi. Metode ini sangat sensitif.
Pengukuran langsung fluks cahaya total sumber dilakukan dalam fotometer integral, misalnya, dalam fotometer bola (lihat Gambar 30.11). Sumber yang diteliti ditangguhkan di rongga bagian dalam bola yang diputihkan di dalam dengan permukaan matte. Sebagai hasil dari beberapa refleksi cahaya di dalam bola, iluminasi dibuat, ditentukan oleh intensitas cahaya rata-rata dari sumbernya. Penerangan lubang, terlindung dari sinar langsung oleh layar, sebanding dengan fluks bercahaya: , di mana adalah konstanta perangkat, tergantung pada ukuran dan warnanya. Lubang itu ditutup dengan gelas susu. Kecerahan gelas susu juga sebanding dengan keluaran cahaya. Ini diukur dengan fotometer yang dijelaskan di atas atau dengan metode lain. Dalam teknologi, fotometer bola otomatis dengan fotosel digunakan, misalnya, untuk mengontrol lampu pijar pada konveyor pabrik lampu listrik.
Metode Objektif Fotometri dibagi menjadi fotografi dan listrik. Metode fotografi didasarkan pada fakta bahwa menghitamnya lapisan fotosensitif sebanding dengan kerapatan energi cahaya yang jatuh pada lapisan selama iluminasi, yaitu, paparan (lihat Tabel 30.1). Metode ini menentukan intensitas relatif dari dua jarak yang berdekatan garis spektral dalam satu spektrum atau membandingkan intensitas garis yang sama dalam dua spektrum yang berdekatan (diambil pada pelat fotografi yang sama) dengan menghitamkan bagian tertentu dari pelat fotografi.
Metode visual dan fotografi secara bertahap digantikan oleh metode listrik. Keuntungan yang terakhir adalah mereka cukup mudah untuk secara otomatis mendaftar dan memproses hasilnya, hingga penggunaan komputer. Fotometer listrik memungkinkan untuk mengukur intensitas radiasi di luar spektrum yang terlihat.
BAB 31
31.1. Karakteristik radiasi termal
Tubuh yang dipanaskan hingga suhu yang cukup tinggi bersinar. Bersinarnya benda karena pemanasan disebut radiasi termal (suhu). Radiasi termal, yang paling umum di alam, terjadi karena energi gerakan termal atom dan molekul suatu zat (yaitu, karena energi dalam) dan merupakan karakteristik semua benda pada suhu di atas 0 K. Radiasi termal dicirikan oleh spektrum kontinu, posisi maksimumnya bergantung pada suhu. Pada suhu tinggi, pendek (terlihat dan ultraviolet) gelombang elektromagnetik, di rendah - didominasi panjang (inframerah).
Karakteristik kuantitatif radiasi termal berfungsi kerapatan spektral energi luminositas (pancaran) suatu benda- daya radiasi per satuan luas permukaan tubuh dalam rentang frekuensi lebar satuan:
Rv,T =, (31.1)
dimana energi radiasi elektromagnetik dipancarkan per satuan waktu (daya radiasi) per satuan luas permukaan tubuh dalam rentang frekuensi v sebelum v+dv.
Satuan kerapatan spektral luminositas energi Rv, T- joule per meter persegi (J / m 2).
Rumus tertulis dapat direpresentasikan sebagai fungsi dari panjang gelombang:
=Rv,Tdv= R ,T dλ. (31.2)
Karena c = vυ, kemudian d/ dv = - CV 2 = - λ 2 /Dengan,
di mana tanda minus menunjukkan bahwa sebagai salah satu nilai meningkat ( λ atau v) nilai lainnya menurun. Oleh karena itu, berikut ini, tanda minus akan dihilangkan.
Lewat sini,
R , T =R, T . (31.3)
Menggunakan rumus (31.3), seseorang dapat beralih dari Rv, T ke R, T dan sebaliknya.
Mengetahui kerapatan spektral luminositas energi, kita dapat menghitung luminositas energi integral(emisivitas integral), menjumlahkan semua frekuensi:
R T = . (31.4)
Kemampuan benda untuk menyerap radiasi yang mengenainya ditandai dengan: daya serap
Dan v,T =(31.5)
menunjukkan berapa fraksi energi yang dibawa per satuan waktu per satuan luas permukaan tubuh oleh gelombang elektromagnetik yang datang padanya dengan frekuensi dari v sebelum v+dv diserap oleh tubuh.
Absorbansi spektral adalah besaran tak berdimensi. Kuantitas Rv, T dan Av,T tergantung pada sifat tubuh, suhu termodinamikanya, dan pada saat yang sama berbeda untuk radiasi dengan frekuensi yang berbeda. Oleh karena itu, nilai-nilai ini diklasifikasikan sebagai T dan v(atau lebih tepatnya, ke rentang frekuensi yang cukup sempit dari v sebelum v+dv).
Benda yang mampu menyerap sepenuhnya pada suhu berapa pun semua radiasi dari frekuensi apa pun yang datang padanya disebut hitam. Oleh karena itu, serapan spektral benda hitam untuk semua frekuensi dan suhu identik sama dengan satu ( A h v, T = satu). Tidak ada benda yang benar-benar hitam di alam, namun, benda-benda seperti jelaga, hitam platinum, beludru hitam dan beberapa lainnya dekat dengan mereka dalam rentang frekuensi tertentu dalam sifat mereka.
model ideal benda hitam adalah rongga tertutup dengan lubang kecil, Permukaan dalam yang menghitam (Gbr.31.1). Seberkas cahaya yang masuk ke dalam Gbr.31.1.
rongga seperti itu mengalami banyak pantulan dari dinding, akibatnya intensitas radiasi yang dipancarkan menjadi praktis nol. Pengalaman menunjukkan bahwa ketika ukuran lubang kurang dari 0,1 diameter rongga, radiasi insiden dari semua frekuensi diserap sepenuhnya. Dengan demikian buka jendela rumah-rumah dari pinggir jalan tampak hitam, meskipun di dalam kamar cukup terang karena pantulan cahaya dari dinding.
Seiring dengan konsep benda hitam, konsep tersebut digunakan tubuh abu-abu- benda yang kapasitas penyerapannya kurang dari satu, tetapi sama untuk semua frekuensi dan hanya bergantung pada suhu, bahan, dan keadaan permukaan benda. Jadi, untuk tubuh abu-abu A dengan v,T< 1.
hukum Kirchhoff
hukum Kirchhoff: rasio kerapatan spektral luminositas energi terhadap absorbansi spektral tidak bergantung pada sifat benda; itu adalah fungsi universal frekuensi (panjang gelombang) dan suhu untuk semua benda:
= rv,T(31.6)
Untuk tubuh hitam A h v, T=1, jadi mengikuti dari hukum Kirchhoff bahwa Rv, T untuk benda hitam adalah rv, T. Jadi, fungsi Kirchhoff universal rv, T tidak lain adalah kerapatan spektral dari luminositas energi benda hitam. Oleh karena itu, menurut hukum Kirchhoff, untuk semua benda rasio kerapatan spektral luminositas energi terhadap absorptivitas spektral sama dengan kerapatan spektral luminositas energi benda hitam pada suhu dan frekuensi yang sama.
Ini mengikuti dari hukum Kirchhoff bahwa kerapatan spektral luminositas energi benda apa pun di wilayah spektrum mana pun selalu lebih kecil daripada kerapatan spektral luminositas energi benda hitam (untuk nilai yang sama T dan v), karena Av,T < 1, и поэтому Rv, T < r v ,T. Selain itu, dari (31,6) berikut bahwa jika benda pada suhu tertentu T tidak menyerap gelombang elektromagnetik dalam rentang frekuensi dari v, sebelum v+dv, maka mereka berada dalam rentang frekuensi ini pada suhu T dan tidak memancar, karena Av,T=0, Rv, T=0
Menggunakan hukum Kirchhoff, ekspresi luminositas energi integral dari benda hitam (31,4) dapat ditulis sebagai
RT = .(31.7)
Untuk tubuh abu-abu R dengan T = PADA = A T R e, (31.8)
di mana Ulang= -luminositas energi benda hitam.
Hukum Kirchhoff hanya menjelaskan radiasi termal, karena sangat khas sehingga dapat berfungsi sebagai kriteria yang dapat diandalkan untuk menentukan sifat radiasi. Radiasi yang tidak mematuhi hukum Kirchhoff tidak termal.
Untuk tujuan praktis, mengikuti hukum Kirchhoff bahwa benda dengan permukaan yang gelap dan kasar memiliki koefisien penyerapan yang mendekati 1. Untuk alasan ini, pakaian gelap lebih disukai di musim dingin, dan terang di musim panas. Tetapi benda dengan koefisien penyerapan yang mendekati satu juga memiliki luminositas energi yang lebih tinggi. Jika Anda mengambil dua bejana yang identik, satu dengan permukaan yang gelap dan kasar, dan dinding yang lain terang dan berkilau, dan menuangkan air mendidih dalam jumlah yang sama ke dalamnya, maka bejana pertama akan mendingin lebih cepat.
31.3. Hukum Stefan-Boltzmann dan perpindahan Wien
Ini mengikuti dari hukum Kirchhoff bahwa kerapatan spektral dari luminositas energi benda hitam adalah fungsi universal, sehingga menemukan ketergantungan eksplisitnya pada frekuensi dan suhu adalah tugas penting teori radiasi termal.
Stefan, menganalisis data eksperimen, dan Boltzmann, menerapkan metode termodinamika, memecahkan masalah ini hanya sebagian dengan menetapkan ketergantungan luminositas energi Ulang dari suhu. Berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann,
R e \u003d T 4, (31.9)
yaitu, luminositas energi benda hitam sebanding dengan seperempat pangkat suhu termodinamikanya; σ
- Konstanta Stefan-Boltzmann: nilai eksperimennya adalah 5,67×10 -8 W/(m 2 ×K 4).
Stefan - hukum Boltzmann, mendefinisikan ketergantungan Ulang pada suhu, tidak memberikan jawaban tentang komposisi spektral radiasi benda hitam. Dari kurva eksperimental ketergantungan fungsi rλ,T dari panjang gelombang λ (r ,T =´ ´ r ,T) pada berbagai suhu(Gbr.30.2) Gbr.31.2.
maka distribusi energi dalam spektrum benda hitam tidak merata. Semua kurva memiliki maksimum yang jelas, yang bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek saat suhu naik. Area yang dibatasi oleh kurva ketergantungan rλ,T dari λ dan sumbu absis, sebanding dengan luminositas energi Ulang benda hitam dan, oleh karena itu, menurut hukum Stefan-Boltzmann, seperempat derajat suhu.
V. Vin, dengan mengandalkan hukum termo- dan elektrodinamika, menetapkan ketergantungan panjang gelombang λ max sesuai dengan maksimum fungsi rλ,T, pada suhu T. Menurut Hukum perpindahan Wien,
maks \u003d b / T, (31.10)
yaitu panjang gelombang λ
max sesuai dengan nilai maksimum spektral
kepadatan luminositas energi rλ,T benda hitam berbanding terbalik dengan suhu termodinamikanya. b - kesalahan konstan nilai eksperimennya adalah 2,9×10 -3 m×K.
Ekspresi (31.10) disebut hukum perpindahan Wien, ini menunjukkan perpindahan posisi maksimum fungsi rλ,T ketika suhu meningkat ke wilayah panjang gelombang pendek. Hukum Wien menjelaskan mengapa, ketika suhu benda yang dipanaskan menurun, spektrumnya semakin didominasi oleh radiasi gelombang panjang (misalnya, transisi panas putih berubah menjadi merah ketika logam mendingin).
Formula Rayleigh-Jeans dan Planck
Dari pertimbangan hukum Stefan-Boltzmann dan Wien, maka pendekatan termodinamika untuk memecahkan masalah menemukan fungsi universal Kirchhoff tidak memberikan hasil yang diinginkan.
Upaya keras pada inferensi ketergantungan teoretis rλ,T milik Rayleigh dan Jeans, yang menerapkan metode fisika statistik untuk radiasi termal, menggunakan hukum klasik distribusi seragam energi dalam derajat kebebasan.
Rumus Rayleigh-Jeans untuk kerapatan spektral luminositas energi benda hitam memiliki bentuk:
r , T = <E> = kT, (31.11)
di mana <Е>= kT– energi rata-rata osilator dengan frekuensi alami ν .
Seperti yang telah ditunjukkan oleh pengalaman, ekspresi (31,11) konsisten dengan data eksperimen hanya di wilayah frekuensi yang cukup rendah dan suhu tinggi. Di wilayah frekuensi tinggi, rumus ini tidak sesuai dengan eksperimen, serta dengan hukum perpindahan Wien. Dan mendapatkan hukum Stefan-Boltzmann dari rumus ini mengarah pada absurditas. Hasil ini disebut " bencana ultraviolet". Itu. di dalam fisika klasik gagal menjelaskan hukum distribusi energi dalam spektrum benda hitam.
Di wilayah frekuensi tinggi, kesepakatan yang baik dengan eksperimen diberikan oleh rumus Wien (hukum radiasi Wien):
r , T \u003d 3 A e -Аν / T, (31.12)
di mana rv, T- kerapatan spektral luminositas energi benda hitam, DARI dan TETAPI – konstanta. Dalam notasi modern menggunakan
Hukum radiasi Wien konstan Planck dapat ditulis sebagai:
r , T = . (31.13)
Ekspresi yang benar konsisten dengan data eksperimen untuk kerapatan spektral luminositas energi benda hitam ditemukan oleh Planck. Menurut hipotesis kuantum, osilator atom memancarkan energi tidak terus menerus, tetapi dalam bagian tertentu - kuanta, dan energi kuantum sebanding dengan frekuensi osilasi
E 0 =hν = hс/λ,
di mana h\u003d 6,625 × 10 -34 J × s - konstanta Planck Karena radiasi dipancarkan dalam porsi, energi osilator E hanya dapat mengambil nilai diskrit tertentu , kelipatan bilangan bulat dari bagian energi elementer E 0
E = nhv(n= 0,1,2…).
PADA kasus ini energi rata-rata<E> osilator tidak dapat dianggap sama dengan kT.
Dalam perkiraan bahwa distribusi osilator pada keadaan diskrit yang mungkin mematuhi distribusi Boltzmann, energi rata-rata osilator adalah
<E> = , (31.14)
dan kerapatan spektral luminositas energi ditentukan oleh rumus
r , T = . (31.15)
Planck menurunkan rumus untuk fungsi Kirchhoff universal
rv, T = , (31.16)
yang sesuai dengan data eksperimen tentang distribusi energi dalam spektrum radiasi benda hitam di seluruh rentang frekuensi dan suhu.
Dari rumus Planck, mengetahui konstanta universal h,k dan Dengan, kita dapat menghitung konstanta Stefan-Boltzmann σ dan anggur b. Dan sebaliknya. Rumus Planck sesuai dengan data eksperimen, tetapi juga mengandung hukum radiasi termal tertentu, yaitu adalah solusi lengkap masalah radiasi termal.
Pirometri optik
Hukum radiasi termal digunakan untuk mengukur suhu benda pijar dan bercahaya sendiri (misalnya, bintang). Metode untuk mengukur suhu tinggi yang menggunakan ketergantungan kerapatan spektral luminositas energi atau luminositas energi integral benda pada suhu disebut pirometri optik. Perangkat untuk mengukur suhu benda yang dipanaskan dengan intensitas radiasi termalnya dalam rentang spektrum optik disebut pirometer. Tergantung pada hukum radiasi termal yang digunakan saat mengukur suhu benda, radiasi, warna, dan suhu kecerahan dibedakan.
1. Suhu radiasi adalah suhu benda hitam di mana luminositas energinya Ulang sama dengan luminositas energi R t tubuh yang sedang dipelajari. Dalam hal ini, luminositas energi benda yang diteliti dicatat dan, menurut hukum Stefan-Boltzmann, suhu radiasinya dihitung:
T p =.
Suhu radiasi T p tubuh selalu lebih kecil dari suhu sebenarnya T.
2.Suhu warna-warni. Untuk benda abu-abu (atau benda yang dekat dengannya dalam sifat), kerapatan spektral luminositas energi
R ,Τ = A r ,Τ,
di mana A t = konstan < 1. Akibatnya, distribusi energi dalam spektrum emisi benda abu-abu sama dengan spektrum benda hitam yang memiliki suhu yang sama, oleh karena itu hukum perpindahan Wien berlaku untuk benda abu-abu. Mengetahui panjang gelombang λ m ah, sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energi R,Τ dari tubuh yang diteliti, suhunya dapat ditentukan
T c = b/ λ m ah,
yang disebut temperatur warna. Untuk tubuh abu-abu, suhu warna bertepatan dengan yang sebenarnya. Untuk benda yang sangat berbeda dengan abu-abu (misalnya, benda dengan penyerapan selektif), konsep suhu warna kehilangan maknanya. Dengan cara ini, suhu di permukaan Matahari ditentukan ( T c=6500 K) dan bintang.
3.Suhu kecerahan T i, adalah suhu benda hitam di mana, untuk panjang gelombang tertentu, kerapatan spektral luminositas energinya sama dengan kerapatan spektral dari luminositas energi benda yang diteliti, mis.
rλ,Τ = Rλ,Τ,
di mana T –suhu sebenarnya tubuh, yang selalu lebih tinggi dari kecerahan.
Pirometer filamen menghilang biasanya digunakan sebagai pirometer kecerahan. Dalam hal ini, gambar utas pirometer menjadi tidak dapat dibedakan dengan latar belakang permukaan benda panas, mis., utas tampaknya "menghilang". Menggunakan miliammeter yang dikalibrasi benda hitam, suhu kecerahan dapat ditentukan.
Sumber panas Sveta
Cahaya benda panas digunakan untuk membuat sumber cahaya. Benda hitam harus menjadi sumber cahaya termal terbaik, karena kerapatan luminositas energi spektralnya untuk panjang gelombang apa pun lebih besar daripada kerapatan luminositas energi spektral benda non-hitam, yang diambil pada suhu yang sama. Namun, ternyata untuk beberapa benda (misalnya, tungsten), yang memiliki selektivitas radiasi termal, fraksi energi yang disebabkan oleh radiasi di wilayah spektrum yang terlihat jauh lebih besar daripada untuk benda hitam yang dipanaskan pada suhu yang sama. . Oleh karena itu, tungsten, yang juga memiliki titik leleh yang tinggi, adalah bahan terbaik untuk membuat filamen lampu.
Suhu filamen tungsten dalam lampu vakum tidak boleh melebihi 2450K, karena pada suhu yang lebih tinggi terjadi sputtering yang kuat. Radiasi maksimum pada suhu ini sesuai dengan panjang gelombang 1,1 m, yaitu sangat jauh dari sensitivitas maksimum mata manusia (0,55 m). Mengisi bola lampu dengan gas inert (misalnya, campuran kripton dan xenon dengan penambahan nitrogen) pada tekanan 50 kPa memungkinkan untuk meningkatkan suhu filamen hingga 3000 K, yang mengarah pada peningkatan komposisi spektral radiasi. Namun, output cahaya tidak meningkat dalam kasus ini, karena kehilangan energi tambahan terjadi karena pertukaran panas antara filamen dan gas karena konduktivitas termal dan konveksi. Untuk mengurangi kehilangan energi karena perpindahan panas dan meningkatkan keluaran cahaya dari lampu yang diisi gas, filamen dibuat dalam bentuk spiral, masing-masing belokan yang saling memanaskan. Pada suhu tinggi lapisan gas tetap terbentuk di sekitar spiral ini dan pertukaran panas karena konveksi tidak termasuk. Efisiensi energi lampu pijar saat ini tidak melebihi 5%.
